Электропривод механизма подачи металлорежущего станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Ивановский Государственный энергетический университет

им. В.И. Ленина"

Кафедра ЭП и АПУ

Расчетно-пояснительная записка

Курсовая работа на тему:

"Электропривод механизма подачи металлорежущего станка"

Выполнил: Смирнов И.Ю.

Иваново 2016

Cодержание

Введение

1. Общая характеристика токарного станка полуавтомата марки КТ 141П

2. Обоснование и формулирование требований к электроприводу подачи

3. Выбор мощности двигателя механизма подачи

3.1 Определение скоростей двигателя

3.2 Определение моментов двигателя

3.3 Проверка выбранного двигателя по максимальному моменту

4. Выбор комплектного электрооборудования

5. Описание функциональной схемы электропривода

Приложение

Введение

Создание металлорежущих станков, автоматических станочных линий и цехов, отличающихся большой производительностью и высокой точностью обработки изделий, основывается на широком использовании разнообразного электрооборудования.

Все прогрессивные мероприятия по созданию современных металлорежущих станков в той или иной степени связаны с развитием автоматизированного электропривода.

В приводах подач, где требуется регулирование скорости вращения до 2000:1 и выше, весьма перспективными являются статические преобразователи, выполненные на базе управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) в качестве регулирующих устройств для двигателей постоянного тока. токарный станок электропривод

Особое значение отводится модернизации находящихся в эксплуатации станков. В связи с этим автоматизация на существующих станках отдельных переходов, операций или наиболее часто встречающихся циклов может дать существенный эффект в отношении повышения производительности и облегчения обслуживания станка.

Наряду с дальнейшим развитием комплексной автоматизации, модернизации существующих станочных линий, созданием новых автоматизированных участков и заводов возникает необходимость в станках, сочетающих высокую производительность и точность специализированного автомата с "гибкостью" и приспосабливаемостью универсального станка. Такими станками являются станки с программным числовым управлением; их применение дает значительные выгоды в отношении простоты переналадки, сокращения количества высококвалифицированного ручного труда и повышения точности.

Исходя из написанного выше, данную тему выпускной работы бакалавра следует считать актуальной.

1. Общая характеристика токарного станка полуавтомата марки КТ 141П

Специальный токарно-накатной полуавтомат модель МР 200. Предназначен для выполнения сложных технологических операций в процессе ремонта и восстановления изношенных колёсных пар вагонов - приточки подступичной части оси в соответствии с жестко регламентируемым диаметром отверстия колёсного диска с последующим накатыванием, которые должны быть выполнены за один установ без поворота детали, при этом конусность подступичных частей должна быть строго выдержана в заданном поле допуска для обеспечения гарантированного натяга при запрессовке дисков на ось.

Технические параметры станка МР 200, необходимые для расчёта электродвигателя продольной подачи приведены в табл. 16.

Таблица 16.Технические параметры станка.

Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
Наибольшее усилие резания	Fрез	Н	8000
Скорость быстрых перемещений	Vб.п.	мм/мин	1000
Максимальная скорость рабочей подачи	Vмакс. раб.	мм/мин	5000
Минимальная скорость рабочей подачи	Vмин. раб.	мм/мин	1
Масса перемещаемого узла	m	кг	552
Коэффициент трения в направляющих		-	0.1
Шарико-винтовая пара
КПД шарико-винтовой пары		%	90
Шаг винта	tв	мм	10
Длина винта	Lв	мм	2450
Диаметр винта	dв	мм	80
Подшипники
Средний диаметр подшипника	dср.	мм	80
Количество подшипников в опорах подачи	Kп.	шт.	6
Условный коэффициент трения в подшипнике	fтр.п.	-	2.21 10-7
Масса станка	mобщ.	кг	4600

Привод подач имеет предохранительную муфту, исключающую возможность поломки станка от перегрузки и возникновения препятствия перемещению стола. Крайние положения стола при перемещении ограничиваются упорами.

2. Обоснование и формулирование требований к электроприводу подачи

Требования к электроприводам определяются технологией обработки, конструктивными особенностями станка, режущим инструментом, функциональными возможностями системы ЧПУ. Электропривод призван обеспечивать выполнение технологических требований, предъявляемых к станку. Основными такими требованиями являются:

обеспечение необходимых технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента;

обеспечение максимальной производительности;

обеспечение требуемой точности обработки;

обеспечение высокой чистоты обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости);

обеспечение повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности).

Необходимые свойства электропривода подачи определяются особенностями движения подачи. Именно эти особенности определяют мощность, момент, способ регулирования, необходимую плавность регулирования, требования к динамическим характеристикам, к жесткости механических характеристик и стабильности скорости.

Исходя из всего вышесказанного можно сформулировать следующие основные качественные требования к станочным электроприводам подач [15]:

минимальные габариты двигателя при высоких значениях вращающего момента и мощности;

высокая максимальная скорость;

значительные перегрузки привода в кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы;

широкий диапазон регулирования;

высокая стабильность характеристик, и в первую очередь усилителей и тахогенераторов;

высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;

высокое быстродействие при набросе и сбросе нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых скоростях;

высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях, вплоть до самых малых;

высокая надежность и ремонтопригодность;

удобство конструктивной установки двигателей на станке и встройки преобразователей в шкафы и ниши станков;

малые габаритные размеры и расход активных материалов;

простота наладки и эксплуатации;

малая энергоемкость;

высокая унификация узлов и отдельных элементов;

высокая экономичность и малая стоимость.

3. Выбор мощности двигателя механизма подачи

Необходимые исходные данные берутся в соответствии с заданием из вариантов (1-22), представленные в данном методическом пособии.

Для варианта №15 (Токарный патронный полуавтомат модели КТ 141П) исходные данные имеют следующие значения:

передаточное отношение редуктора: i = 1;

шаг винта t = 10 мм, длина винта L = 2450 мм;

КПД передачи з = 0,9;

радиус винта Rср.в = 40мм;

масса поступательно перемещаемого узла станка m = 552 кг;

скорость быстрых перемещений Vб.п = 10000 мм/мин;

наибольшее усилие подачи Fп = 8000 Н;

максимальная скорость рабочих перемещений хмакс.раб = 5000 мм/мин;

минимальная скорость рабочих перемещений хмин.раб = 1 мм/мин;

коэффициент трения в направляющих = 0,1;

условный коэффициент трения в подшипнике fтр = 2,21·10-7;

количество подшипников в опорах подачи Кп = 6.

Произведем расчет скоростей и моментов, необходимых для выбора электродвигателя продольной подачи по методике, изложенной в [15] и представленной ниже.

3.1 Определение скоростей двигателя

Скорость двигателя определяется скоростями перемещения рабочих органов станка и передаточным отношением механической передачи.

Для передачи винт-гайка:

(3.1)

где nдв - скорость двигателя, об/мин;

х - скорость перемещения рабочего органа, мм/мин;

i = 1 - передаточное отношение редуктора;

tв = 10 мм - шаг винта.

Частота вращения двигателя, соответствующая максимальной скорости быстрых перемещений рассчитывается как:

(3.2)

.

Максимальная и минимальная рабочие частоты вращения двигателя рассчитываются как:

(3.3)

(3.4)

Подставляя численные значения, получаем:

3.2 Определение моментов двигателя

Рассмотрим три режима работы:

а) установившийся режим при резании, когда двигатель преодолевает составляющую усилия резания вдоль соответствующей оси станка и силы трения, в этом случае момент двигателя определим, как:

М 1 = Мст = Мрез+Мтр (3.5)

б) установившийся режим при ускоренных перемещениях, когда статический момент равен моменту холостого хода и двигатель развивает момент по преодолению сил трения:

М 2 = Мхх = Мтр (3.6)

в) переходные процессы пуска и торможения, когда двигатель развивает момент:

М 3 = Мтр+Мдин, (3.7)

который необходим для преодоления момента от сил трения и динамического момента.

Найдем последовательно все составляющие формул (3.5) и (3.6) .

Момент резания находим, как:

(3.8)

где Fтр - составляющая от силы резания по данной оси. Вместо Fрез в формулу (5.8) подставим усилие подачи, которое необходимо для преодоления максимальной составляющей от силы резания, т.е.

Fmax = 8000Н;

tв = 0,01 м - шаг винта;

з - КПД передачи.

Найдем момент от сил трения по формуле:

Мтр = Мнапр+Мвинт+Мподш, (3.9)

где

Мнапр - момент от сил трения в направляющих станка, Н·м;

Мвинт - момент от сил трения в шарико - винтовой паре при наличии предварительного натяга, Н·м;

Мподш - момент от сил трения в подшипниках при наличии предварительного натяга, Н·м.

Момент Мнапр определяем по формуле:

(3.10)

где Fтр - сила трения в направляющих, Н.

Силу трения найдем по формуле:

Fтр = (mg + 0,1Fрез) м, (3.11)

где

g = 9,81 м/с 2;

m = 552 кг - масса перемещаемого узла;

Fрез = 8000 Н - составляющая от силы резания;

м - коэффициент трения в направляющих.

Подставим численные значения и получим:

Fтр = (9,81·552+0,1·8000)·0,1 = 4333,1 (Н).

Подставим значение Fтр в формулу (3.10) и получаем:

.

Определим Мвинт по формуле:

, (3.12)

.

Определим Мподш по формуле:

, (3.13)

где

fтр.п. = 2,21·10-7 - условный коэффициент трения в шариковом подшипнике;

Кп = 6 - число подшипников в опорах винта;

dп = 80·10-3 м - средний диаметр подшипника.

Подставляем численные значения в формулу (3.13) и получаем:

.

Теперь по формуле (3.9) можно найти момент от сил трения, как:

Мтр = Мнапр+Мвинт+Мподш = 7,66+0,85+2,8·10-4 = 1,8 (Н·м).

Далее по формуле (3.5) можно определить:

М 1 = Мрез+Мтр = 14+1,8 = 15,8 (Н·м),

а по формуле (3.6):

М 2 = Мтр = 1,8(Н·м).

Условия выбора электродвигателя можно сформулировать следующим образом:

Мном ? М 1, nном ? nр.max (3.14)

Мmin ? М 2, nmax ? nб.п. . (3.15)

Кроме того, должно выполняться соотношение:

Мдв.max ? Мз (3.16)

Итак:

Мном ? 15,8 Н·м, nном ?500 об/мин;

Мmin ? 1,8 Н·м, nmax ?1000 об/мин.

Используя вышеприведенные условия, а также кривые М = f (n) для высокомоментных серии ПБВ предварительно выбираем электродвигатель ПБВ 112S.[1] Его технические характеристики, а также характеристики встроенного тахогенератора приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.Технические характеристики электродвигателя

Параметр	Обозначение	Размерность	Величина параметра
Тип Номинальный момент Номинальная частота вращения Номинальное напряжение Номинальный ток Максимальный момент Максимальная скорость Максимальное напряжение Длительный момент при n = 0 Момент инерции двигателя Сопротивление обмотки якоря Индуктивность обмотки якоря Электромеханическая постоянная времени (с тахогенератором) Электромагнитная постоянная времени Постоянная времени нагрева Момент при nmax Максимальный момент при nном Постоянная ЭДС Масса двигателя с тахогенератора Тип тахогенератора Крутизна выходной характеристики Максимальное выходное напряжение	ПБВ 112L Мном nном Uном Iн Мmax nmax Umax М 0 Jдв Rя Lя Тм Тэ Тн Мmin Мm КЭДС m ТС - 1М Ктг Uтг.max	- Н·м об/мин В А Н·м об/мин В Н·м кг·м 2 Ом мГн мс мс мин Н·м Н·м В/об/мин Кг - В/об/мин В	- 21 500 50 28 210 2000 38 29 0,049 0,144 1,102 8,6 7,65 80 14 38 0,085 52 - 0,02 40
Максимальное выходное напряжение Сопротивление нагрузки Амплитуда пульсаций Нелинейность выходной характеристики	Uтг.max Rтг.н. Uг	В Ом % %	40 4 2 2

3.3 Проверка выбранного двигателя по максимальному моменту

Теперь необходимо осуществить проверку выбранного двигателя на обеспечение требуемых динамических свойств электропривода, т.е. проверку двигателя по максимальному моменту (соотношение 3.16):

Мmax ? Мз.

По формуле (3.7) Мз = Мтр+Мдин.

Динамический момент можно определить по формуле:

, (3.17)

где

Jдв - момент инерции двигателя, кг·м 2;

Jмех/ - момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя, кг·м 2;

е - угловое ускорение привода, рад/с 2.

Определим Jмех/ как:

, (3.18)

где

Jм - момент инерции линейно - перемещающихся масс, приведенный к валу двигателя, кг·м 2;

Jв - момент инерции ходового винта, приведенный к валу двигателя, кг·м 2;

Jмуфт - момент инерции соединительных муфт (примем здесь Jмуфт ? 0).

JМ определяется по формуле:

, (3.19)

где

m - масса перемещаемого узла станка;

tв - шаг винта;

i - передаточное отношение редуктора.

Подставив численные значения, получим:

Jв можно определить по формуле:

, (3.20)

где

г = 7,8·103 - плотность стали, кг/м 3;

l - длина винта, м;

Rср - средний радиус винта, м.

Подставив численные значения в (3.20), получим:

.

Теперь подставим численные значения Jm, Jв и Jмуфт в (3.18), тогда:

.

Ускорение двигателя определяется по времени переходного процесса, заданному закону и диапазону изменения скорости. Если при скачкообразном изменении сигнала задания скорость изменится на ДЩ за время tпп, и при этом, если двигатель разгоняется по экспоненциальной зависимости Щ(t), то ускорение можно определить по следующей формуле:

, (3.21)

где T = tпп/3 - постоянная времени экспоненциальной желаемой кривой изменения скорости.

Задаемся временем tпп = 0,2 сек., тогда при разгоне за время tпп до скорости нр.max привод развивает ускорение:

.

По формуле (3.17) определим динамический момент:

Мдин = (0,07839+0,035)·989,1 = 112,154 (Н·м).

По формуле (3.7) определяем М 3:

М 3 = Мдин+Мтр = 112,154+1,8 = 113,954 (Н·м);

Мmax.дв.= 210 Н·м ? М 3 = 113,954 Н·м.

Условие выполняется, двигатель выбран верно и удовлетворяет всем заданным требованиям.

4. Выбор комплектного электрооборудования

Выбор комплектного электропривода

Техническое описание и Инструкция по эксплуатации на электропривод ЭПУ 2-1...ЕУХЛ 4 или ЭПУ 2-1...МУХЛ 4

Техническое описание и инструкция по эксплуатации предназначены для изучения модернизированных электроприводов серии ЭПУ 1, именуемых в дальнейшем "электроприводы" и обозначаемых ЭПУ 1М, обеспечения их правильной эксплуатации и рассчитаны на обслуживающий персонал, прошедший специальную подготовку по техническому использованию и обслуживанию полупроводниковой техники.

Надежность и долговечность работы обеспечивается не только качеством самих электроприводов, но и правильной их эксплуатацией, поэтому соблюдение всех требований, изложенных в настоящем документе обязательно.

Электроприводы ЭПУ 1М соответствуют ГОСТ 27803--88 "Электроприводы, регулируемые для станкостроения и робототехники. Общие технические требования" и ТУ 16-530.304--83.

Разработчик оставляет за собой право вносить изменения, направленные на улучшение качества электропривода.

НАЗНАЧЕНИЕ

1. Электроприводы ЭПУ 1М по назначению делятся на две группы:

1) для механизмов подач станков, промышленных манипуляторов (роботов) с обратной связью по скорости.

2) для механизмов главного движения станков и других механизмов.

Электроприводы подачи (ЭПУ 1М-2...П) - реверсивные, для высокомоментных двигателей обеспечивают перегрузку по моменту до 6, имеют диапазон регулирования до 10 000 предназначены для реверсивных быстродействующих широкорегулируемых приводов с однозонным регулированием скорости, в том числе для механизмов подач станков с ЧПУ, промышленных манипуляторов и других механизмов. Данные электроприводы могут работать как внутренний контур в САУ с обратной связью по положению с замыканием через систему ЧПУ.

Электроприводы главного движения предназначены для реверсивных и нереверсивных широкорегулируемых приводов с двухзонным и однозонным регулированием скорости; в том числе для механизмов главного движения станков с ЧПУ и других механизмов.

Электроприводы главного движения обеспечивают перегрузку по току до 2, и в зависимости от вида управления (по якорю, по полю двигателя, обратной связи и диапазона регулирования скорости двигателя) подразделяются на:

ЭПУ 1М...Д - двухзонный, с обратной связью по скорости двигателя и диапазоном регулирования скорости двигателя до 1000;

ЭПУ 1М...Е - однозонный (управление по якорю двигателя), с обратной связью по ЭДС, диапазоном регулирования скорости двигателя до 20;

ЭПУ 1М...М - однозонный, с обратной связью по скорости двигателя, диапазоном регулирования скорости двигателя до 1000.

Условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха для электродвигателей и тахогенераторов от 5° до 40°С, блока управления (преобразователя) и остальных элементов от 5° до 45°С, свыше 45° до 55°С со снижением номинального тока и момента на 10% при повышении температуры на каждые 5°С; высота над уровнем моря не более 1000 м;

место установки электроприводов в закрытых помещениях при отсутствии непосредственного воздействия солнечной радиации;

максимальная относительная влажность воздуха 80% при температуре 30°С;

допускается вибрация с частотой от 1 до 35 Гц при ускорении 4,9 м/с. В составе комплектных устройств, соответствующих группе условий эксплуатации М 8 (степень жесткости 2), должны допускать вибрацию от 1 до 60 Гц при ускорении 9,81 м/с 2. (Допускается применение амортизаторов).Группа условий эксплуатации М 8 только для исполнения электроприводов до 100 А;

рабочее положение блоков управления вертикальное, допускается отклонение от вертикального положения не более 5° в любую сторону;

степень защиты - IP00 по ГОСТ 14254--80.

Электроприводы предназначены для питания от трехфазной сети: напряжением 380 В частотой 50 Гц - для нужд народного хозяйства;

напряжением 220, 380, 400, 415 В частотой 50 Гц и 220, 230, 380, 400, 415, 440 В частотой 60 Гц - для поставок на экспорт в страны с умеренным и тропическим климатом.

К сетям, напряжение которых отличается от вышеуказанных, электроприводы должны подключаться через специальный согласующий трансформатор. Электроприводы должны обеспечивать работу при:

отклонениях напряжения питающей сети от номинального значения от плюс 10 до минус 15%; отклонениях частоты питающей сети на ±2% от номинального значения.

Электропривод должен обеспечивать работу при кратковременных провалах мгновенных значений питающего напряжения площадью X-AU<400, где X - угол коммутации в электрических градусах; AU - падение напряжения при провале в процентах от мгновенного значения,

причем максимальная длительность провала питающего напряжения не должна превышать 40 электрических градусов, а AU< 100%.

Электроприводы обеспечивают работу от питающей сети, мощность которой, по отношению к суммарной мощности электроприводов, определяется расчетным путем в зависимости от коэффициента одновременности работы и коэффициента перегрузки каждого электропривода.

Питающая сеть должна выполняться с заземленной нейтралью в соответствии с "Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей".

Многокоординатные (групповые) электроприводы образуются простым набором однокоординатных электроприводов с добавлением в фазы блока управления коммутационных реакторов (при необходимости), исключающих взаимное влияние приводов при работе от общего трансформатора.

Типы и основные параметры электроприводов приведены в табл. 3--1.

В электроприводах подачи используются двигатели серий ДПУ, ДР, 2ПБВ, ПБВ, 2П ПБ 2П, ПО 2П, 4П и др.

В электроприводах главного движения применяются двигатели серий 2П, 4П, 2ПФ, 4ПФ, ПБ 2П, ПО 2П и др.

Сигнал управления аналоговый (задающий сигнал U зад) ±10 В соответствует максимальной скорости. Входное сопротивление не менее 2 к 0м.

5. Описание функциональной схемы электропривода

Схемы подключения электроприводов

где, Т 1 - силовой трансформатор (серии ТС, ТСТ и др.);

U4--блок управления (преобразователь);

Ul - блок предохранителей (на токи 25, 50, 100 А);

F7 - выключатель F7 (на токи 80, 200, 400, 630 А);

U2 - блок возбудителя (для двигателей с электромагнитным возбуждением);

U3 - блок ввода;

L1--сглаживающий реактор (для высокомоментных двигателей);

L2 - сетевой реактор (коммутационный или токоограничивающий);

Ml--двигатель со встроенным тахогенератором BR1 и температурным датчиком R3;

Rl, R2--задатчик скорости.

Силовой трансформатор Т 1 подключается к сети через коммутационный аппарат, который не входит в комплект поставки электропривода.

Блок возбудителя U2, нерегулируемый для сетей 220, 230 В состоит из трехфазного мостового выпрямителя, выполненного на диодных модулях V1.1--V3.2, предохранителей F4...F6 и защитной PC--цепи oт перенапряжения на диодах выпрямительного моста.

В электроприводах блок управления (преобразователь) БСМ состоит из частей:

силового трехфазного тиристорного моста;

блоков управления № 1, № 2;

блока межплатных соединений;

трансформатора питания;

блоков питания и датчика проводимости;

блока датчика напряжения;

блоков импульсных трансформаторов.

Приложение

Электродвигатели серии ПБВ предназначены для тиристорных электроприводов подач металлообрабатывающих станков. Технические данные двигателей представлены в табл.1.

Таблица 1. Технические данные двигателей серии ПБВ

Наименование	ПБВ 100	ПБВ 112	ПБВ 132	ПБВ 160
	Условная длина якоря.
	М	L	S	M	L	M	L	M	L
Номинальный момент, Н м	7.16	10.5	14	17.5	21	35	47.7	76.4	105
Номинальная частота вращения, об./мин.	1000	1000	750	600	500	600	600	500	500
Номинальное напряжение, В.	52	56	44	47	50	53	70	66	78.5
Номинальный ток, А	18	24	31.5	29	28	50	50	78.5	90
Длительный момент в заторможенном состоянии, Н м.	8.2	12	17.5	22	29	47	62	84	110
Максимальный момент при пуске, Н м.	70	100	130	170	210	350	470	490	510
Момент при максимальной частоте вращения, Н м.	6.8	8.6	12	15	14	16	21	60	82
Максимальный момент при максимальной частоте вращения, Н м.	21	21	36	34	38	98	98	280	290
Максимальная частота вращения в длительном режиме, об./мин.	2000	2000	2000	2000	2000	2000	2000	1000	1000
Момент инерции якоря, кг м 2	0.01	0.013	0.035	0.042	0.049	0.188	0.238	0.242	0.298
Сопротивление обмотки якоря при 150 С, Ом.	0.222	0.139	0.109	0.123	0.144	0.057	0.071	0.032	0.034
Индуктивность обмотки якоря, мГн.	1.18	0.8	0.732	0.898	1.102	0.422	0.554	0.337	0.405
Электромеханическая постоянная времени, м с.	10.3	7.6	13.2	10.1	8.6	14.2	12.3	8.5	7.9
Электромагнитная постоянная времени, мс.	6.3	6.74	6.75	7.3	7.65	7.35	7ю 85	10.63	11.8
Постоянная ЭДС, В /(об./мин.)	0.045	0.044	0.051	0.069	0.085	0.077	0.105	0.118	0.141
Тепловая постоянная времени, мин.	60	70	60	70	80	90	100	----	----
Масса двигателя с тахогенератором, кг.	27	33	41	45	52	83	100	168	182

Размещено на Allbest.ru

...